Согласно данным наблюдений метеостанций, в среднем по России (европейская часть) время выпадения влажных осадков (дождь, мокрый снег, туман, роса) составляет значительную часть года: около 10%. Поэтому анализ условий работы ОПН при увлажнении загрязненной поверхности покрышки имеет большое значение.
Как показано в п. 4.1, при увлажнении поверхности покрышки ОПН по ней протекает ток утечки, зависящий от проводимости поверхности покрышки и от формы поверхности. Как правило, этот ток значительно превышает ток через колонку варисторов и емкостный ток с экрана ОПН на заземленные предметы. Поэтому увлажнение поверхности покрышки приводит к выравниванию распределения напряжения по колонке варисторов. Разность потенциалов между увлажненной поверхностью покрышки (покрышек при многомодульном исполнении ОПН) и колонкой варисторов практически близка к нулю. Однако образование подсушенных кольцевых зон при разогревании увлажненного слоя загрязнения током утечки изменяет распределение напряжения по поверхности покрышки.
Увеличение сопротивления подсушенных зон вызывает повышение напряжения на них и перераспределение напряжения по поверхности покрышки. Наибольшая неравномерность распределения напряжения вдоль покрышки возникает при образовании подсушенной кольцевой зоны в нижней или верхней части ОПН (рис. 4.16): на кольцевой зоне падение напряжения очень велико, а на остальной, увлажненной поверхности средняя напряженность поля значительно меньше.
В результате увеличивается разность потенциалов между увлажненной поверхностью покрышки и варисторами. Падение напряжения на подсушенной кольцевой зоне ограничивается пробивным напряжением воздушного промежутка между краями подсушенной зоны. Экспериментально определенная на модели изолятора эта зависимость приведена на рис. 4.17 [62]. По ней подобрана эмпирическая зависимость действующего значения разрядного напряжения (кВ) от ширины подсушенной зоны S (м)
(4.73)
Наблюдения за развитием разрядных явлений увлажненных изоляторов показывают, что ширина подсушенных кольцевых зон ограничивается межреберным расстоянием. Следовательно, разрядные напряжения (/р современных фарфоровых изоляторов с шириной межреберного расстояния 60...70 мм достигают нескольких десятков киловольт. Такая же и максимальная разность потенциалов между увлажненной поверхностью покрышки и колонкой варисторов (см. рис. 4.16). Эта разность потенциалов вызывает протекание токов смещения между поверхностью покрышки и колонкой варисторов, определяя добавочный ток через варисторы. Наибольший добавочный ток возникает при наличии одной подсушенной зоны у верхнего или у нижнего края покрышки.
При этом максимальная разность потенциалов между поверхностью покрышки и варисторами
(4.74) где Е - рабочий градиент потенциала варисторов, равный наибольшему рабочему фазному напряжению Uфнр, отнесенному к высоте колонки Нк:
(4.75)
Рис. 4.16. Распределение напряжения вдоль колонки варисторов (1) и вдоль увлажненной поверхности покрышки при отсутствии (/) и наличии (2) подсушенных зон вблизи нижнего фланца (а) и в середине ОПН (б), а также разность потенциалов между увлажненной поверхностью покрышки и варисторами при наличии подсушенных зон (3)
Рис. 4.17. Зависимость разрядного напряжения от ширины промежутка между кольцевыми электродами, расположенными на цилиндрическом изоляторе
Емкостный ток на колонку варисторов определяется разностью потенциалов между поверхностями покрышки и варисторов и емкостью между двумя этими поверхностями
(4.76) где гвэ - эквивалентный радиус варисторов; Δ - ширина эквивалентного зазора между варисторами и увлажненной поверхностью покрышки; ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрика.
При одноколонковом исполнении ОПН эквивалентный радиус равен радиусу rв варисторов, а эквивалентная ширина зазора - действительной его ширине.
При многоколонковом исполнении ОПН эквивалентный радиус варисторов
(4.77)
где п - количество параллельных колонок; rр - радиус окружности, проведенной через оси наружного ряда колонок варисторов, а эквивалентная ширина зазора - расстояние между окружностью с радиусом rв.э до наружной поверхности покрышки.
Суммарный емкостной ток на колонку варисторов (см. рис. 4.16,а)
где Uфнр в киловольтах.
Этот дополнительный ток протекает по крайним варисторам напротив подсушенной зоны, вызывая их дополнительный нагрев и ускоренную деградацию. Дополнительный ток через остальные варисторы уменьшается до нуля на другом конце колонки.
В случае образования подсушенной зоны в середине колонки наибольший паразитный емкостный ток протекает через варисторы в средней части колонки и составляет примерно половину от паразитного тока при возникновении подсушенной зоны у конца колонки.
Из полученной формулы следует, что наибольший паразитный ток через варисторы пропорционален радиусу варисторов, межреберному расстоянию, высоте колонки варисторов и обратно пропорционален ширине зазора между варисторами и наружной поверхностью покрышки.
Следовательно, наименьший паразитный ток через варисторы соответствует одноколонковому варианту ОПН, у которого минимальный радиус rв.
Далее, чем меньше ширина S межреберного расстояния, тем меньше паразитный ток через варисторы. Например, для фарфоровой покрышки ОПН-500 кВ имеем: ε = 2,5εο; гвэ = 0,25 м; S = 0,07 м; Н = 4 м; С/ф = 300 кВ. При этих данных получаем максимальный паразитный ток Iв макс = 16 мА. При этом необходимо отметить, что этот ток не зависит от степени загрязнения атмосферы.
Таким образом, выше приведена предельная оценка добавочного тока через крайние варисторы при наличии одной подсушенной зоны у верхнего или у нижнего конца покрышки. Если подсушенная зона образовалась в середине покрышки, в соответствии с вышеизложенным добавочный ток через варисторы в этом месте в два раза меньше (8 мА). И он нарастает от этого значения до двойного от середины к краям колонки варисторов в зависимости от положения подсушенной зоны.
Надо учесть также, что такой добавочный ток существует кратковременно только непосредственно перед пробоем подсушенной кольцевой зоны. В предшествующее время он нарастает постепенно от значения, соответствующего току через колонку варисторов в нормальном режиме, до указанных предельных значений.
Процесс нарастания тока через варисторы соответствует по времени развитию процесса подсушки кольцевых зон и составляет от долей минуты до минуты и более в зависимости от интенсивности увлажнения: чем больше интенсивность увлажнения поверхности покрышки, тем больше продолжительность процесса образования подсушенных кольцевых зон. После перекрытия одной кольцевой зоны распределение напряжения вдоль поверхности покрышки выравнивается. При этом резко увеличивается ток утечки по поверхности покрышки, достигая исходного значения (см. соотношение (4.17)). Паразитный емкостной ток через варисторы снижается до нуля. При этом резко возрастает интенсивность подсушки поверхности вплоть до образования следующей подсушенной кольцевой зоны. При продолжающемся увлажнении покрышки подсушенные кольцевые зоны возникают одна за другой в различных местах по высоте покрышки. В результате паразитный емкостной ток через колонку варисторов поддерживается практически непрерывно, изменяясь в зависимости от положения подсушенной зоны. При этом средний по высоте максимальный паразитный ток через варисторы перед пробоем кольцевой зоны изменяется от 0,5Iв макс до 0,5Iв мин= 0,5-0,5Iв макс=0,25I макс в соответствии с распределением потенциалов вдоль колонки варисторов (см. рис. 4.16) и составляет в среднем 0,5(0,25 + 0,5)Iв макс = 0,375Iв макс.
С учетом нарастания во времени паразитного тока перед пробоем это значение надо уменьшить вдвое. В итоге получаем средний по высоте и средний во времени ток через варисторы Iв ср=0,19в мак≈0,2Iв макс. Соответственно для рассмотренного выше случая ОПН-500 кВ в фарфоровой покрышке средний паразитный ток через варисторы (во времени и по высоте) составляет /вср = 3,2 мА. Этот ток в 6,4 раза превышает ток через колонку варисторов при сухой покрышке, что приводит к нарушению теплового баланса в ОПН, перегреву варисторов и их ускоренной деградации.
В настоящее время эта проблема решается путем снижения рабочего градиента потенциала варисторов до 1 кВ/см и соответственно тока через варисторы при рабочем градиенте. При этом ухудшаются защитные характеристики ОПН, поскольку при сниженном рабочем градиенте повышается напряжение на колонке варисторов при протекании расчетных токов грозовых и коммутационных перенапряжений до (2...2,2)√2Uфнр и 1,8√2Uфнр соответственно.
Существенно сократить паразитные емкостные токи через варисторы при увлажнении поверхности покрышки можно при применении одноколонковых ОПН в полимерных корпусах. В этом случае значительно (в несколько раз) уменьшается радиус поверхности варисторов (см. формулу (4.77)) и может быть значительно сокращено межреберное расстояние, поскольку при применении кремнийорганической резины толщина ребер может быть значительно сокращена (до 5...7 мм в основании), а необходимая длина пути тока утечки может быть обеспечена при уменьшенном вылете ребер и сокращенном межреберном расстоянии (см. п. 4.1).
В разработанной в СПбГТУ конструкции ОПНп-500 кВ в полимерных покрышках вылет ребер составляет 30...35 мм, шаг оребрения 22 мм. При толщине 7 мм ребра в основании межреберное расстояние составляет всего 15 мм. При радиусе варисторов rв = 42,5 мм, ширине зазора Δ = 1,75 см максимальный паразитный ток через варисторы Iв макс=3,7 мА или в 4,3 раза меньше, чем в предыдущем случае для многоколонкового ОПН в фарфоровой покрышке. Соответственно средний по высоте колонки и во времени паразитный емкостный ток через колонку варисторов составляет Iв ср = 0,19х3,7=0,7 мА. Такой ток незначительно превышает ток через колонку при отсутствии увлажнения, тепловыделение от него в 20 раз меньше, чем в рассмотренном варианте ОПН в фарфоровой покрышке. Соответственно рабочий градиент варисторов в ОПНп одноколонкового исполнения в полимерных покрышках может быть повышен примерно на 10% вплоть до Ев=1,1...1,15 кВ/см. Соответственно остающееся напряжение на варисторах может быть снижено до
|
при коммутационных перенапряжениях и до
при грозовых перенапряжениях.
Как указывалось в п. 4.1, в конструкции ОПН ЦЭЗА принята прямая форма ребра (см. рис. 4.4). При этом исключается возможность удлинения подсушенных кольцевых зон за счет нижней, плохо смачиваемой поверхности ребер фарфоровой покрышки, и тем самым исключается возможность увеличения паразитных емкостных токов через варисторы. Как следствие, отмечается повышенная эксплуатационная надежность ОПНп ЦЭЗА.
